5G催生第三代半导体材料利好,GaN将脱颖而出

发布时间:2018年11月06日 10:11    作者:eechina
关键词: GaN , 5G技术 , 5G网络
来源:拓墣产业研究院

相较目前主流的硅晶圆(Si),第三代半导体材料SiC与GaN(氮化镓)具备耐高电压特色,并有耐高温与适合在高频环境下优势,其可使芯片面积大幅减少,并简化周边电路设计,达成减少模块、系统周边零组件及冷却系统体积目标,GaN应用范围包括射频、半导体照明、激光器等领域。

现行GaN功率元件以GaN-on-SiC及GaN-on-Si两种晶圆进行制造,其中GaN-on-SiC强调适合应用在高温、高频的操作环境,因此在散热性能上具优势,其以5G基地台应用最多,预期SiC基板未来在5G商用带动下,具有庞大市场商机。

5G高频特性,使GaN技术有伸展空间

目前基地台用功率放大器(Power Amplifier,PA)主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)技术,不过LDMOS技术仅适用于低频段,在高频应用领域存在局限性。

由于LDMOS功率放大器的频宽会随着频率增加而大幅减少,运用于3.5GHz频段的LDMOS制程已接近限制,性能开始出现下滑,在考虑5G商用频段朝更高频段发展下,过去LDMOS将逐渐难以符合性能要求,因此第三代半导体材料GaN技术崛起;由于GaN技术支援更高资料容量之多资料传输,同时搭配5G高速网络,不论在频宽、性能、容量、成本间可做出最佳成效。

换言之,GaN优势在于更高功率密度及更高截止频率(Cutoff Frequency,输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率),尤其在5G多输入多输出(Massive MIMO)应用中,可实现高整合性解决方案,例如模块化射频前端元件,以毫米波(Millimeter Wave,mmWave)应用为例,GaN高功率密度特性可有效减少收发通道数及尺寸,实现高性能目标,然短期LDMOS会与GaN共存,主要原因在于低频应用仍会采用LDMOS,例如2GHz以下应用领域。

5G基地台的功率放大器将以砷化镓与GaN制程为主

从Qorvo产品应用来看,采用GaN技术将天线阵列功耗降低40%,透过整合式多通道模块、3~6GHz及28/39GHz频段在射频前端产品的布局,更加强调高性能、低功耗、高整合度、高易用性等目标达成。

其中GaN可达LDMOS原始功率密度4倍,每单位面积功率提高4~6倍,即在相同发射功率规格下,GaN裸片尺寸为LDMOS裸片尺寸的1/6~1/4。由于GaN具有更高功率密度特性,能实现更小元件封装,满足Massive MIMO和主动天线单元(Active Antenna Unit,AAU)技术下射频前端高度整合需求。

目前GaN运用以5G基础设施(如基地台)为主,手机较难采用GaN技术,主要挑战包括:(1)GaN成本高;(2)GaN供电电压高;较不符合手机需求,不过若未来透过改进GaN射频元件特性,仍有可能应用于手机,例如加入新的绝缘介质与沟道材料,使其适应低电压工作环境。无论如何,GaN已成为高频、大功耗应用技术首选,包括需高功率水平的传输讯号或长距离应用,例如基地台收发器、雷达、卫星通信等。
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